§18-2 新的项是如何起作用的

作为第一个例子,我们要考虑一个具有球对称的径向电流分布发生的情况。我们设想有一个其上面带有放射性材料的小球,这种放射性材料正喷射出一些带电粒子(或者也可以设想有一大块胶体,在其中心处有一个小空穴,用一支皮下注射针在空穴注入了一些电荷,并从那里慢慢地渗漏出来)。在上述任一种情况下,我们都具有处处沿径向流出的电流。下面将假定,这一电流的大小在各不同方向上都相同。

令在任意半径r以内的总电荷为Q(r)。如果在相同半径处的径向电流密度为j(r),则式(18.2)要求Q减少的速率为

251-1

现在我们要问,在这种情况下由电流所产生的磁场如何。假设在半径为r的球面处画出某一条回路Γ,如图18-1所示。这样就有一些电流会穿过该回路,因而也许可以期望求出沿图上所示方向的磁场环流来。

251-2

图18-1 一个具有球形对称的电流,其磁场如何

但这样我们就已经处于困难之中了。B如何能在该球面上有任何特殊方向呢?对Γ的另一种选择将会容许我们断定它的方向恰恰与所示的相反,所以怎么能够 有环绕着那些电流的B的任何环流呢?

幸而麦克斯韦方程救了我们。B的环流不仅取决于穿过Γ的总电流 ,而且也取决于穿过它的电通量 对时间的变化率,一定是这两部分刚好互相抵消。让我们看看是否能证明确实是这样。

在半径为r处的电场必定是Q(r)/(4π∈0 r2 )——只要如我们所假定的那样,电荷是球对称分布的。电场沿着径向,而其时间变化率为

252-2

将此式与式(18.5)比较,我们就知道在任何半径处

252-3  (18.7)

在方程Ⅳ中那两个源的项互相抵消了,因而B的旋度就永远为零。在我们的例子中不存在磁场。

作为第二个例子,我们考虑用来对平行板电容器充电的导线的磁场(参见图18-2)。如果板上的电荷随时间变化(但不是太快),则导线里的电流等于dQ/dt。我们会料到这电流将产生环绕着该导线的磁场。肯定地说,结束于极板的电流必定产生正常的磁场——它不可能依赖于电流在何处消失。

252-4

图18-2 一个正在充电的电容器附近的磁场

假定选取一条回路Γ1 ,那是一个如图(a)所示的半径为r的圆周。磁场的线积分应等于电流I除以∈0 c2 ,即

252-5  (18.8)

这是对于恒定电流应该获得的结果,不过在加上麦克斯韦的附加项之后它仍然正确,因为如果我们考虑那个圆周内的平面S,则在该面上将不会有电场(假定那条导线是十分优良的导体),所以∂E/∂t的面积分为零。

然而,假设现在慢慢地把曲线Γ1 向下移动,直至电容器的极板水平为止,我们得到的结果总是相同。此时电流I变为零,磁场是否就消失了呢?这将是十分奇怪的。让我们来看看,对于那条其平面通过电容器两板之间而其半径为r的圆周曲线Γ2 [图18-2(b)],麦克斯韦方程对此将做何解释。B环绕Γ2 的线积分为2πrB,它必然等于穿过该圆面S2 的E通量对时间的微商。我们从高斯定律得知,这个E通量应等于1/∈0 乘以电容器一个板上的电荷。于是就有

253-1  (18.9)

那很方便,这结果与我们在式(18.8)中得到的相同。对变化着的电场取积分与对在导线里的电流取积分给出相同的磁场。当然,这恰好就是麦克斯韦方程所讲的。对于图18-2(b)所示的由同样的圆周曲线Γ1 为边界的两个面S1253-3 ,只要应用与上述相同的论证便很容易看出结果永远应该如此。穿过S1 的有电流I,但没有电通量。而穿过253-3 的则没有电流,但却有一个以速率I/∈0 变化着的电通量。如果把方程Ⅳ应用到任何一个面,则会得到相同的B。

从我们迄今对麦克斯韦新项的讨论,你可能会觉得有了它并没有增加多少东西——它只是把方程组安排得符合于我们已经预期的结果。诚然,若只是孤立地 考虑方程Ⅳ,就不会发现任何特别新鲜的东西。然而,“孤立地 ”这个词却十分重要。麦克斯韦在方程Ⅳ中的那个小小的改变,当它与其他的方程结合 起来时,就的确会产生不少全新而又重要的东西。然而,在考虑这些事情之前,我们要对表18-1多说几句。